1 / 19

S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa

S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa. Motivaatio Kompleksiset verkot – uusi työkalu kompleksisten systeemien tutkimiseen ja vertailuun Verkkojen karakterisointi: astejakauma, klusteroituminen, … Mittakaavattomat verkot

lee
Télécharger la présentation

S-114.510 Laskennallinen systeemibiologia Kompleksiset verkot systeemibiologiassa

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. S-114.510 Laskennallinen systeemibiologiaKompleksiset verkot systeemibiologiassa • Motivaatio • Kompleksiset verkot – uusi työkalu kompleksisten systeemien tutkimiseen ja vertailuun • Verkkojen karakterisointi: astejakauma, klusteroituminen, … • Mittakaavattomat verkot • Sovelluksia systeemibiologiaan • Nykytilanne ja tulevaisuus 16.3.2005 Riitta Toivonen

  2. Miksi verkot ovat kuuma sana • Reduktionismi näyttää tulleen tiensä päähän • Ymmärryksemme maailmasta ei enää lisäänny tarkastelemalla systeemien osasia erillisinä • Otettava huomioon myös vuorovaikutukset osien välillä  Systeemiajattelu luonteva seuraava askel • Viime vuosina on havaittu, että monia kompleksisia systeemejä voidaan tutkia ja vertailla verkkoteorian avulla.

  3. Motivaatio • Biologiassa viime vuosina voimakas suuntaus verkkoajatteluun (kuten monilla muillakin tieteenaloilla) • (Kiinnostuksen kohteina mm. aineenvaihduntaverkot, geenisäätelyverkot, proteiinien vuorovaikutusverkot ja ravintoverkot eli ’kuka syö kenet’) • Verkot ovat luonteva tapa hahmottaa biologisia systeemejä • vuorovaikutusten rakenne • modulaarisuus  Biologisesti orientoituneen opiskelijan tai tutkijan on hyvä tietää mistä kompleksisissa verkoissa on kysymys

  4. Täsmällinen määrittely vaikeaa Kompleksinen ei ole sama kuin monimutkainen – monimutkaiselta näyttävän systeemin osia saattavat ohjata yksinkertaiset lait. Systeemissä kokonaisuutena ilmenee lainalaisuuksia, jotka eivät ole ilmeisiä osien käyttäytymissääntöjen perusteella (emergenssi) Kompleksisena systeeminä voidaan tarkastella esim. yhteiskuntaa, ihmistä, solua, ekosysteemiä, taloutta, … Kompleksisia verkkoja (kompleksisten systeemien osajoukko) ovat mm. sosiaaliset ja taloudelliset verkostot, internet, aineen-vaihduntaverkot, … Mitä tarkoittavat ’kompleksinen systeemi’ ja ’kompleksinen verkko’?

  5. Verkko matemaattisena mallina • Verkko on solmujen ja niiden välisten kaarien joukko • esim. geenisäätelyverkossa se, että geeni A inhiboi geeniä B, voidaan kuvata piirtämällä kaari solmusta A:sta solmuun B • Tyypillisesti solmupareista vain harvat ovat kytkeytyneet toisiinsa kaarella • esim. ihmisen solussa on 30 000 geeniä, mutta aktivoitunut geeni inhiboi tai eksitoi vain murto-osaa näistä. solmujoukko S ja kaarijoukko E: S = {A,B,C,D,E} E = {AB,BC,CA,CB,DC}

  6. Historia: Klassinen verkkoteoria 1736 (Euler) Satunnaisgraafit 1959 (Erdös & Rényi) Kompleksisten verkkojen teoria 1998  (Watts & Strogatz, Barabási & Albert). Eroja klassiseen verkkoteoriaan mm.: stokastinen lähestymistapa verkon kasvu ja muutos ajassa Kompleksisten verkkojen teorian synty

  7. Solmuun liittyvien kaarien määrää nimitetään solmun asteeksi Eräs tapa luonnehtia verkkoa on määrittää sen astejakauma: todennäköisyys, että satunnaisesti valitulla solmulla on k kaarta Eräs tärkeä tapa kuvailla verkkoa:verkon astejakauma Esim. solmuun J liittyy 3 saapuvaa kaarta (IJ, KJ ja MJ) ja 1 lähtevä kaari (JK)  sen aste on kJ= 3+1 = 4 Astejakauma N(k) k 2 3 4 5

  8. Reaalimaailman verkkojen aste-jakauma noudattaa lähes aina (likimain) potenssilakia Toistaiseksi tutkituissa verkoissa eksponentti γon väliltä 2.2 ... 6 Potenssilakia noudattavia verkkoja kutsutaan mittakaavattomiksi (scale free) Mittakaavattomissa verkoissa osalla solmuista on hyvin paljon linkkejä (navat, hubs) esim. webissä Google, aineenvaihdunta-verkoissa ATP, jne. Astejakaumasta - Mittakaavattomat verkot

  9. klusteroitumiskerroin ”ystävieni ystävät ovat minunkin ystäviäni” Ci = (#kolmiot) / (#mahdolliset kolmiot) tunnusluku, jonka avulla havaitaan verkon osajoukkoja, jotka toimivat tiiviissä yhteistyössä (moduleita) klusteroitumisen jakauma kertoo verkon modulaarisuudesta Muita verkon tunnuslukuja ja jakaumia: klusteroitumiskerroin

  10. Proteiinien vuorovaikutusverkot • Erään hiivan (Saccharomyces cerevisiae) proteiinien vuorovaikutusverkon astejakauma (Data neljästä eri tietokannasta) • Proteiinilla on verkossa k linkkiä, jos se reagoi k eri proteiinin kanssa • Kuvaajasta voimme lukea esim: noin joka sadannella proteiinilla on kymmenkunta linkkiä • Jakauma noudattaa potenssilakia

  11. Aineenvaihduntaverkot • Verkon solmut (kuvassa valkoiset suorakaiteet) ovat metaboliitteja ja kaaret niiden välisiä kemiallisia reaktioita • mustat laatikot välituotteita • reaktioita katalysoivat entsyymit merkitty numeroin

  12. Aineenvaihduntaverkot • Astejakauman log-log-kuvaaja on suora  astejakauma noudattaa potenssilakia Arkit Bakteerit Eukaryootit

  13. Miksi proteiinien vuorovaikutus-verkolla on tällainen astejakauma?Kahdentuminen ja mutaatio • Geenit tuottavat proteiineja • Geenien evoluutiossa eräs tärkeä tekijä on geenien kahdentuminen perimässä • B.Dujon et al. ”Genome evolution in yeasts”, Nature, 430:35-44, July 1, 2004 • K.H.Wolfe, D.C. Shields, ”Molecular evidence for an ancient duplication of the entire yeast genome”, Nature, 387:708-713, June 12, 1997 • Geenin kopioista toinen voi hoitaa entisiä tehtäviä, jolloin toinen on vapaa siirtymään uudenlaisiin tehtäviin (tuottamaan hieman erilaisia proteiineja, jotka vuorovaikuttavat osittain samojen proteiinien kanssa kuin ennen, osittain toisten) • Simulaatiot osoittavat, että tällä mekanismilla - kahdentamalla solmuja ja muuttamalla niiden linkkejä hieman - syntyy mittakaavaton verkko • A.Vázquez, ”Growing networks with local rule: preferential attachment, clustering hierarchy and degree correlations, Phys.Rev.Lett. E 67, 056104 (2003 )

  14. Missä mennään kompleksisten verkkojen teoriassa? Tutkimuksen kohteina • Verkkojen generointialgoritmit • tavoitteena kehittää verkkomalleja, jotka kuvaisivat yhä paremmin reaalimaailman verkkoja • Verkoissa tapahtuvat prosessit, mm. • tarttuvien tautien leviäminen ja epidemiat • huhujen eteneminen sosiaalisessa verkossa

  15. Nykytilanne ja tulevaisuus • Toistaiseksi teoriankehitystä • Muutaman vuoden kuluttua yleinen kompleksisten verkkojen teoria lienee muotoutunut • Sen jälkeen paneuduttava kunkin tieteenalan erityisominaisuuksiin • Sovelluksia odotettavissa tulevaisuudessa • lääketiede, biologia, sosiologia, …

  16. Kiitos!Kommentteja? Kysymyksiä?

  17. (1) Networks continuously expand by the addition of new nodes WWW : addition of new documents (2) New nodes prefer to link to highly connected nodes. WWW : linking to well known sites The Barabási-Albert Scale-Free Model PREFERENTIAL ATTACHMENT:the probability that a node connects to a node with k links is proportional to k. P(k)=k-3 (problem: clusteringtoo low) Barabási & Albert, Science286, 509 (1999)

More Related